以切削力波动为约束的曲面加工刀具轨迹规划方法技术

本发明专利技术以切削力波动为约束的曲面加工刀轨规划方法属于复杂曲面零件高效铣削加工技术领域，涉及一种以切削力波动为约束的曲面加工刀轨规划方法。该方法首先基于等残余高度法获得的刀位点数据，确定最优走刀行距和走刀步长，实现基于刀具位置网格节点的刀具位置网格单元划分。通过刀具位置网格单元平面拟合，结合相邻关联刀具位置网格单元，确定刀具位置网格节点Z坐标。然后计算刀具位置网格节点法向量，以加工过程中切削力波动小为约束，将刀具位置网格节点作为刀位点，以相邻刀位点间法向量夹角最小为基本原则规划曲面加工刀具轨迹，实现曲面的高质高效加工。该方法对局部复杂几何特征具有很好的适应能力，实现曲面的高质高效加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于复杂曲面零件高效铣削加工
，具体涉及一种以切削力波动为约束的曲面加工刀轨规划方法。
技术介绍
复杂曲面零件在航空航天、汽车、船舶及模具等领域应用广泛。现今复杂曲面造型技术已较成熟，但其高质高效加工仍是工业领域研究的热点与难点。多轴联动数控机床为复杂曲面的加工提供了可靠途径，也极大地提高了其加工质量和加工效率。数控加工过程中，刀具轨迹规划与零件的加工精度和加工效率密切相关，亦直接影响刀具寿命和机床动态特性。合理的刀具轨迹规划是复杂曲面高质高效加工的重要保证，是复杂曲面数控加工的关键技术。林浒等人专利公告号CN103163836A的“直纹曲面刀具轨迹规划方法”，该专利通过对直纹曲面边界参数离散化建立初始刀具轨迹，进而对初始刀具轨迹插补误差进行计算，最终调整形成最优刀具轨迹。该方法仅适用于直纹曲面的加工，因此具有较大的局限性。Elber等人的文献“Tool path generation for freeform surface models”，Computer-Aided Design，2004，26(6)，490-496，该文章针对等参数线法生成的刀具轨迹冗余、过密的缺点，专利技术了具有自适应性的优化等参数线法，生成的刀具轨迹长度更短，提高了加工效率，然而等参数线法不适合于生成组合曲面和裁剪曲面的刀具轨迹，同时该方法未考虑加工中的切削力变化对加工质量带来的影响，具有一定的局限性。综上，目前曲面加工刀具轨迹规划相关研究仅从曲面几何角度进行计算，未考虑加工过程中切削力波动等物理因素对曲面加工质量的影响。曲面加工过程中，切削力作为重要的过程参数，切削力波动将直接影响刀具寿命及曲面加工质量，因此亟需一种有效的以切削力波动为约束的曲面加工刀轨规划方法。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术的缺陷，专利技术了一种以切削力波动为约束的曲面加工刀具轨迹规划方法，规划方法中考虑加工过程中切削力波动对复杂曲面刀具寿命、加工质量的影响，通过对加工刀位点的再规划，以相邻刀位点间法向量夹角最小为基本轨迹规划原则，综合考虑了曲面几何特征及刀具轨迹拓扑形状对切削力的影响，在保证加工质量的同时提高加工效率。本专利技术的技术方案是一种以切削力波动为约束的曲面加工刀轨规划方法，其特征在于，该方法首先基于等残余高度法获得的刀位点数据，确定最优走刀行距和走刀步长，实现基于刀具位置网格节点X、Y坐标的刀具位置网格单元划分；其次通过刀具位置网格单元平面拟合，结合相邻关联刀具位置网格单元，确定刀具位置网格节点Z坐标；然后基于刀具位置网格节点及邻域节点，计算刀具位置网格节点法向量；最后以加工过程中切削力波动小为约束，将刀具位置网格节点作为刀位点，以相邻刀位点间法向量夹角最小为基本原则规划曲面加工刀具轨迹，实现曲面的高质高效加工。方法的具体步骤如下：步骤1刀具位置网格单元划分以曲面几何特征为基础，采用最小二乘平面法在初始基于等残余高度法获得的刀位点数据的基础上构建刀具位置网格，以刀具位置网格节点为最终加工用刀位点，保证这些刀位点在满足加工误差的前提下具有最优走刀行距和步长。刀具位置网格单元的侧向步长即为球头铣刀切削拟合斜平面的走刀行距。令刀具位置网格单元拟合斜平面Z的数学表达式为：Z＝aX+bY+c (1)其中，a、b、c为最小二乘拟合系数，X、Y为变量。球头铣刀半径为R，拟合斜平面法向残余高度为h，则拟合斜平面法向侧向步长s'为： s ′ = 2 R 2 - ( R - h ) 2 = 2 2 R h - h 2 - - - ( 2 ) ]]>刀具位置网格单元拟合斜平面与XY平面间的夹角为α，与YZ平面间的夹角为β，根据平面夹角公式得： c o s β = a a 2 + b 2 + 1 - - - ( 3 ) ]]>相同残余高度下，同一切削行中所有刀具位置网格单元的法向侧向步长相同，但各刀具位置网格单元拟合平面空间方位的变化导致其在XY平面投影侧向步长s不同，投影侧向步长s与法向侧向步长s'的几何关系为：s＝s'·sinβ＝s'·cosα (4)由式(1)-(4)得： s = 2 b 2 + 1 a 2 + b 2 + 1 · 2 R h - h 2 - - - ( 5 ) ]]>令刀具位置网格初始投影侧向步长s0为： s 0 = 2 2 R h - h 2 - - - ( 6 ) ]]>令初始向前步长f0等于s0，则在XY投影平面内确定一个矩形网格单元的尺寸。根据等残余高度法获得的刀位点数据，将刀位点向XY平面投影，选取投影落在该矩形网格单元内的数据点进行最小二乘拟合，得到与XY平面成一定角度的刀具位置网格单元平面。最小二乘拟合系数a、b、c由式(7)解得: a本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以切削力波动为约束的曲面加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，该方法首先基于等残余高度法获得的刀位点数据，确定最优走刀行距和走刀步长，实现基于刀具位置网格节点X、Y坐标的刀具位置网格单元划分；其次通过刀具位置网格单元平面拟合，结合相邻关联刀具位置网格单元，确定刀具位置网格节点Z坐标；然后基于刀具位置网格节点及邻域节点，计算刀具位置网格节点法向量；最后以加工过程中切削力波动小为约束，将刀具位置网格节点作为刀位点，以相邻刀位点间法向量夹角最小为基本原则规划曲面加工刀具轨迹，实现曲面的高质高效加工；规划方法的具体步骤如下：步骤1刀具位置网格单元划分以曲面几何特征为基础，采用最小二乘平面法在初始基于等残余高度法获得的刀位点数据的基础上构建刀具位置网格，以刀具位置网格节点为最终加工用刀位点，保证这些刀位点在满足加工误差的前提下具有最优走刀行距和步长；令刀具位置网格单元拟合斜平面Z的数学表达式为：Z＝aX+bY+c   (1)其中，a、b、c为最小二乘拟合系数，X、Y为变量；球头铣刀半径为R，拟合斜平面法向残余高度为h，则拟合斜平面法向侧向步长s'为：s′=2R2-(R-h)2=22Rh-h2---(2)]]>刀具位置网格单元拟合斜平面与XY平面间的夹角为α，与YZ平面间的夹角为β，根据平面夹角公式得：cosβ=aa2+b2+1---(3)]]>相同残余高度下，同一切削行中所有刀具位置网格单元的法向侧向步长相同，但各刀具位置网格单元拟合平面空间方位的变化导致其在XY平面投影侧向步长s不同，投影侧向步长s与法向侧向步长s'的几何关系为：s＝s'·sinβ＝s'·cosα   (4)由式(1)‑(4)得：s=2b2+1a2+b2+1·2Rh-h2---(5)]]>令刀具位置网格初始投影侧向步长s0为：s0=22Rh-h2---(6)]]>令初始向前步长f0等于s0，则在XY投影平面内确定一个矩形网格单元的尺寸；根据等残余高度法获得的刀位点数据，将刀位点向XY平面投影，选取投影落在该矩形网格单元内的数据点进行最小二乘拟合，得到与XY平面成一定角度的刀具位置网格单元平面；最小二乘拟合系数a、b、c由式(7)解得；abc=Σxi2ΣxiyiΣxiΣxiyiΣyi2ΣyiΣxiΣyi1=ΣxiyiΣxiziΣzi---(7)]]>式中(xi,yi,zi)为刀具位置网格单元所包含的刀位点坐标值，经拟合得到刀具位置网格单元斜平面；刀具位置网格单元初始向前步长f0等于s0，向前步长f的确定值需通过迭代方法确定，引入最小二乘平面拟合偏差均方根RMS：RMS=(1nΣi=1n(|axi+byi-zi+c|ai2+bi2+1)2)12---(8)]]>式中n为网格单元内刀位点数量；比较拟合平面的RMS值与加工误差要求ε大小确定向前步长f的增减趋势，将刀具位置网格单元边界前移或后退进行反复迭代，拟合平面的RMS值小于等于ε时，f取到最大值即为最终向前步长f；利用得到的最终向前步长f，确定网格单元内的刀位数据点，再次进行最小二乘平面拟合最终确定拟合系数，计算该刀具位置网格单元对应的投影侧向步长；按照上述方法构建第i个切削行所有刀具位置网格，确定第i个切削行内所有刀具位置网格单元对应的投影侧向步长si值，选取最小si值作为该切削行最终的走刀行距，并根据该走刀行距值重新进行该行最终刀具位置网格单元拟合；将迭代应用到各切削行的刀具位置网格单元构建中，直到覆盖整个曲面的投影矩形区域；各切削行行距确定后，将确定的切削行行距作为各切削行刀具位置网格单元的侧向步长，在走刀步长方向上采用相同方法进行刀具位置网格单元划分，最终完成整个曲面基于刀具位置网格节点X、Y坐标的刀具位置网格单元划分；步骤2刀具位置网格节点Z坐标计算从两个方向对切削行和网格节点进行编号，以确定网格节点位置；走刀行距方向上的网格划分节点x坐标存放于数组x_row中，走刀步长方向上的网格划分节点y坐标存放于数组y_row中；按照优化后具有最佳向前步长和侧向步长的刀具位置网格重新进行网格单元平面拟合，计算对应的最小二乘拟合系数a、b、c，建立单元数组net_plane，将每个刀具位置网格单元拟合平面系数顺次存放其中；不同刀具位置网格节点，与之关联的网格单元数目不同；刀具位置网格节点位于空间拟合平面的四角处时，网格节点附近只有1个关联网格单元平面；刀具位置网格节点位于空间拟合平面的四条边界上时，网格节点附近有2个关联网格单元平面；刀具位置网格单元既不是角点也不位于边界线上时，网格节点附近有4个关联网格单元平面；首先判断刀具位置网格节点位...

【技术特征摘要】
1.一种以切削力波动为约束的曲面加工刀具轨迹规划方法，其特征在于，该方法首先基于等残余高度法获得的刀位点数据，确定最优走刀行距和走刀步长，实现基于刀具位置网格节点X、Y坐标的刀具位置网格单元划分；其次通过刀具位置网格单元平面拟合，结合相邻关联刀具位置网格单元，确定刀具位置网格节点Z坐标；然后基于刀具位置网格节点及邻域节点，计算刀具位置网格节点法向量；最后以加工过程中切削力波动小为约束，将刀具位置网格节点作为刀位点，以相邻刀位点间法向量夹角最小为基本原则规划曲面加工刀具轨迹，实现曲面的高质高效加工；规划方法的具体步骤如下：步骤1刀具位置网格单元划分以曲面几何特征为基础，采用最小二乘平面法在初始基于等残余高度法获得的刀位点数据的基础上构建刀具位置网格，以刀具位置网格节点为最终加工用刀位点，保证这些刀位点在满足加工误差的前提下具有最优走刀行距和步长；令刀具位置网格单元拟合斜平面Z的数学表达式为：Z＝aX+bY+c (1)其中，a、b、c为最小二乘拟合系数，X、Y为变量；球头铣刀半径为R，拟合斜平面法向残余高度为h，则拟合斜平面法向侧向步长s'为： s ′ = 2 R 2 - ( R - h ) 2 = 2 2 R h - h 2 - - - ( 2 ) ]]>刀具位置网格单元拟合斜平面与XY平面间的夹角为α，与YZ平面间的夹角为β，根据平面夹角公式得： c o s β = a a 2 + b 2 + 1 - - - ( 3 ) ]]>相同残余高度下，同一切削行中所有刀具位置网格单元的法向侧向步长相同，但各刀具位置网格单元拟合平面空间方位的变化导致其在XY平面投影侧向步长s不同，投影侧向步长s与法向侧向步长s'的几何关系为：s＝s'·sinβ＝s'·cosα (4)由式(1)-(4)得： s = 2 b 2 + 1 a 2 + b 2 + 1 · 2 R h - h 2 - - - ( 5 ) ]]>令刀具位置网格初始投影侧向步长s0为： s 0 = 2 2 R h - h 2 - - - ( 6 ) ]]>令初始向前步长f0等于s0，则在XY投影平面内确定一个矩形网格单元的尺寸；根据等残余高度法获得的刀位点数据，将刀位点向XY平面投影，选取投影落在该矩形网格单元内的数据点进行最小二乘拟合，得到与XY平面成一定角度的刀具位置网格单元平面；最小二乘拟合系数a、b、c由式(7)解得； a b c = Σ x i 2 Σ x i y i Σ x i Σ x i y i Σ y i 2 Σ y i Σ x i Σ y i 1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：马建伟，高媛媛，贾振元，宋得宁，刘振，张鑫，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21